一种点目标正弦动态观测的姿态导引算法的制作方法

本发明涉及一种点目标正弦动态观测的姿态导引算法，属于航天器在轨姿态控制。

背景技术：

1、航天器在轨观测点目标的方式主要采用静态凝视的方式，即通过航天器姿态随动跟踪控制使得载荷光轴始终指向动态目标，满足成像的角度和稳定度需求。静态凝视方式下，稳定度通常要求在积分时间内像移小于1个像元，对应点目标在载荷成像像面上将始终处于像面中心不移动。考虑到航天器观测目标的光轴指向区域的背景复杂且光照情况随着姿态快速变化，导致成像背景噪声大且噪声特性时变，将目标始终跟踪在观测视场中心的定点凝视指向方式下，可能将点目标与载荷观测视场内的短期背景噪点混淆，检测难度较大，检测稳定性差，不利于航天器长时间的目标稳定指向跟踪。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种点目标正弦动态观测的姿态导引算法，能够适应各种目标动态观测的像移需求，利于实现目标与短期背景的区分，提升星上目标检测能力和长期目标跟踪能力。

2、本发明的技术解决方案是：第一方面，提供一种点目标正弦动态观测的姿态导引算法，包括：

3、根据外部输入的目标导引信息，解算出卫星和目标之间的矢量，记为星-目矢量，生成目标处在观测视场中心的姿态导引四元数初值；

4、将总的目标像移角速度上限分解为姿态角速度控制误差和正弦动态观测运动角速度，计算出正弦动态观测运动半径和周期；

5、根据设计的正弦动态观测运动半径和周期以及星上时序，实时计算正弦动态观测运动的叠加四元数；

6、将正弦动态观测的叠加四元数与姿态导引四元数初值结合，得到最终用于姿态导引的目标四元数。

7、优选的，根据外部输入的目标导引信息，解算出星-目矢量，生成目标配置在观测视场中心的姿态导引四元数初值，具体为：

8、当目标导引信息为目标的位置矢量rt和速度矢量vt时，星-目矢量计算为：

9、当目标导引信息为脱靶量信息sb时，星-目矢量计算为：rst＝aibsb，其中，aib为本体系至惯性系的转换矩阵，能够通过卫星姿态得到；

10、将目标凝视在视场中心时，假设载荷在卫星本体系下的指向+z轴，卫星本体系+x轴要求与惯性矢量vi夹角最小，则导引姿态四元数的初值计算过程为：

11、

12、其中，ati为导引姿态四元数对应的方向余弦矩阵，将其转换成对应的四元数即为导引姿态四元数初值qit。

13、优选的，卫星本体系的三轴指向具体为：+z轴方向沿着卫星质心和目标连线，+y轴方向由卫星指向目标的矢量和卫星指向地心的矢量叉乘得到，+x轴由右手定则确定。

14、优选的，惯性矢量vi是卫星质心指向地心方向的单位矢量。

15、优选的，将总的目标像移角速度上限分解为姿态角速度控制误差和正弦动态观测运动角速度，计算出正弦动态观测运动半径和周期；具体为：

16、总的目标像移角速度上限为δω，则姿态角速度控制误差为δω1，正弦动态观测运动角速度为δω2＝δω-δω1；

17、正弦动态观测运动周期为：t＝tmin+δt，tmin为姿态控制带宽下精确跟踪控制的正弦动态观测运动最小周期，δt为预留控制余量；

18、计算正弦动态观测运动半径为

19、将正弦动态观测运动半径r与观测视场半锥角r进行比较，具体为：

20、若r/r＞0.2，则正弦动态观测运动半径相对观测视场占比过大，将半径取为r＝0.2r；若r/r≤0.2，则保持

21、更新相应的正弦动态观测运动周期：若t小于tmin，则进行姿态控制带宽的调整。

22、优选的，总的目标像移角速度上限通过载荷曝光时间和像元分辨率计算得到。

23、优选的，根据设计的正弦动态观测运动半径和周期以及星上时序，实时计算正弦动态观测运动的叠加四元数δq：

24、

25、其中：k为星上当前的运行拍数、τ为软件运行周期、r为正弦观测运动半径、t为正弦动态观测运动周期；

26、将δq0进行四元数归一化得到正弦动态观测的叠加四元数δq。

27、优选的，将正弦动态观测的叠加四元数与姿态导引四元数初值结合，得到最终用于姿态导引的目标四元数qit_d，具体计算方法为：

28、

29、其中表示四元数乘法，δq为正弦动态观测的叠加四元数，qit为姿态导引四元数初值。

30、第二方面，提供一种终端设备，包括：

31、存储器，用于存储至少一个处理器所执行的指令；

32、处理器，用于执行存储器中存储的指令，实现上文所述的一种点目标正弦动态观测的姿态导引算法。

33、第三方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行如上文所述的一种点目标正弦动态观测的姿态导引算法。

34、本发明与现有技术相比具有如下优点：

35、本发明通过在姿态导引中引入正弦运动，根据不同的点目标动态观测的像移角速度需求，设计相应的正弦运动周期和半径，实现将目标配置在观测时长中心附近连续平滑地做圆周运动，有效地将目标与短期观测背景区分开来，便于星上自主检测和长期稳定跟踪，提升卫星的稳定跟踪能力。

技术特征：

1.一种点目标正弦动态观测的姿态导引算法，其特征在于包括：

2.根据权利要求1所述的一种点目标正弦动态观测的姿态导引算法，其特征在于：根据外部输入的目标导引信息，解算出星-目矢量，生成目标配置在观测视场中心的姿态导引四元数初值，具体为：

3.根据权利要求2所述的一种点目标正弦动态观测的姿态导引算法，其特征在于：卫星本体系的三轴指向具体为：+z轴方向沿着卫星质心和目标连线，

4.根据权利要求2所述的一种点目标正弦动态观测的姿态导引算法，其特征在于：惯性矢量vi是卫星质心指向地心方向的单位矢量。

5.根据权利要求1所述的一种点目标正弦动态观测的姿态导引算法，其特征在于：将总的目标像移角速度上限分解为姿态角速度控制误差和正弦动态观测运动角速度，计算出正弦动态观测运动半径和周期；具体为：

6.根据权利要求5所述的一种点目标正弦动态观测的姿态导引算法，其特征在于：总的目标像移角速度上限通过载荷曝光时间和像元分辨率计算得到。

7.根据权利要求1所述的一种点目标正弦动态观测的姿态导引算法，其特征在于：根据设计的正弦动态观测运动半径和周期以及星上时序，实时计算正弦动态观测运动的叠加四元数δq：

8.根据权利要求1所述的一种点目标正弦动态观测的姿态导引算法，其特征在于：将正弦动态观测的叠加四元数与姿态导引四元数初值结合，得到最终用于姿态导引的目标四元数qit_d，具体计算方法为：

9.一种终端设备，其特征在于，包括：

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-8任一项所述的方法。

技术总结一种点目标正弦动态观测的姿态导引算法，包含：步骤1、根据目标导引信息，计算出星‑目矢量，从而得到目标处在观测视场中心的导引四元数初值；步骤2、根据载荷观测的稳定度需求，计算出像面上的像移角速度上限，据此设计正弦运动的半径和周期；步骤3、根据设计的正弦运动参数和星上时序，计算实时叠加的正弦运动四元数；步骤4、将正弦运动叠加四元数与导引四元数初值结合，得到用于目标正弦动态观测的姿态导引四元数。本发明计算简单，适用范围广，便于目标检测，提升星上目标检测能力和长期目标跟踪能力。技术研发人员：林书宇,李德婷,潘晓东,史康,徐融,何益康受保护的技术使用者：上海航天控制技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/9/9